解決（jué）航空航天部（bù）件CNC加工中的7個常見問題

航空航（háng）天部件CNC加工：概述

航空航天（tiān）工（gōng）業與其他（tā）工業不同（tóng），因為給定部件故障的後果是可怕的。無需詳細說明，但總的來說，每次都需要完美運行。這意味著每個齒輪都需要轉動，每個（gè）支（zhī）架都需要保持（chí）在原位，並且它們（men）都需（xū）要完（wán）美地（dì）結合在一起。

從設（shè）計和製造過程開始（shǐ）——使用正確的工具和正確的材料。精確配合和保（bǎo）持嚴格的公差至關重要，因為質量比成本和交（jiāo）貨時間更（gèng）重要。這就（jiù）是為什麽CNC 加工是航空航天應（yīng）用的理想選擇。

自動化 CNC 加（jiā）工（gōng）限製了人為錯誤的可能性，並實現了（le）這種（zhǒng）製（zhì）造方法的高度精確性。CNC 加工速度也很快（kuài），尤其是在加工數量較少的零（líng）件時。與消費電子產品不同，並非每（měi）個（gè）人都有自己的飛機供個人（rén）使用。例如，2019 年交付了 1,377 架飛機。相比之下，2019 年售出了 4080 萬部 iphoness。飛機的製造數（shù）量遠低（dī）於消費產品，而這些較低（dī）的數量非常適合 CNC 加工。

使用 CNC 加工製造的（de）部件

CNC 加工（gōng）用於製造整個現代飛機的部件，從起落架(支架和扭矩連杆等部件)到發動機(壓縮機和渦（wō）輪機)。結構部件也可以進行 CNC 加工，例如機身、艙壁和機身的部件。對運動部件很（hěn）重要的齒輪（lún）、軸和外殼（ké）通常是 CNC 加工零件。最後（hòu），特別是在直升機中，活塞發動機外殼通常是 CNC 加工的（de）。

用於航空航天部件（jiàn）的材（cái）料

CNC 加工（gōng）也可以很好地處理航空航天部件所需的材料。飛機（jī）、直升機和宇宙飛船所經曆的極端環境和用例需要特殊材料。這些材料包括鈦，特別（bié）是 2 級和 5 級，由於其耐熱性和強度，可用於發動（dòng）機部件（jiàn）。然而，鈦是（shì）一種昂（áng）貴的材料，因此不能用於飛機的（de）每個部（bù）件（jiàn）。

合金鋼，特別（bié）是（shì） 4340 和 4130，也用於製造航空（kōng）航天部（bù）件。4340鋼堅韌而堅固，具有很高的潛在硬（yìng）度，非常適合飛機起落架承受的高負荷。4130鋼還具有高抗拉（lā）強度，用於齒輪、緊固件和外部部件。鋼的強度成本比，特別是與鈦相比，是有利的，但鋼是一種密（mì）度更大、更重的（de）材料，這限（xiàn）製了（le）它在航空航（háng）天應用中的使用。與（yǔ）鈦不同的是，鋼（gāng）容易腐蝕，因此如果暴（bào）露在濕氣中，則必須進行塗層處理。

最後，鋁(7075、2024 和 6061)由於其低（dī）密度而具有高（gāo）強度重量比。它也很（hěn）容（róng）易加工——加工速度比鋼快兩到三倍。鋁 2024 具有良好的抗疲勞（láo）性，這意味著它（tā）可以承受許多負載循環(非常適合（hé）使用多年的飛機)。鋁 6061 是一種沉澱硬化鋁合金，具有良好的耐腐蝕性（xìng），可以在飛機機翼和（hé）機身中找到。鋁7075兼具良好的抗疲勞性和耐腐蝕（shí）性（xìng），這導致其在飛機結構部件中的普遍使用（yòng）。

航空航天製造的獨特（tè）挑戰

在任何應用（yòng）中，CNC 加工並不總是一個簡單易行的過（guò）程，航空航天部件也是如此。以下是製（zhì）造航空航天部件時經常遇到的七種不同障礙，以及解決這些（xiē）障礙的解（jiě）決方案。

1.加工薄壁大型部件

某些部件，例（lì）如發動機或壓（yā）縮機外殼，具（jù）有較大的內腔（qiāng）。例如，要製造直升機葉片的傳動裝置外殼，CNC 機器（qì）必須取出一大塊材料。這需要很（hěn）長時間（jiān），會產（chǎn）生大量廢料，還會導致（zhì）零件產生殘餘應（yīng）力。這些（xiē）殘（cán）餘應力會導致變形或翹曲——當您使用嚴格的公差和高標準時，這是有問題的。

為（wéi）了事先確定去除大（dà）量（liàng）材料是否會成為問題，您可以使用（yòng）一對公式。您需要同時檢查 IRMR(內部去除材料比（bǐ）率)和 ERMR(外部去（qù）除材料比率)。兩者的公（gōng）式如下所示。

IRMR 應大於 85%，這表明您（nín）已移（yí）除不到 15% 的內部零件體積。將最終零件邊界框體（tǐ）積（jī）與庫存體積進行比較的 ERMR 應大於 30%。如（rú）果這兩個都通過了測試，您可以繼續進行原型設計和測（cè）試（shì）。但是，如果這些值中的一個或兩個超出可（kě）接受的限製，您的（de）零件可能難以在公差範圍（wéi）內（nèi）製造，或者您可能會遇到性能（néng）問題。

在這些情況下，您有幾個選擇。如果所需的零件數量很少，您可以加工一個並（bìng）對其進行測試，然後如果第一個零件符合規格，則繼續(並繼續測（cè）試每個零件)。

有時可以鑄造這樣的零件，這（zhè）是一種更適合製造薄壁大型部件的工藝。通過鑄造，您將浪費更少的材料並減少翹曲。CNC 加工可能仍然是精（jīng）加（jiā）工和滿足公差所必需的。

最後，您可以使用特（tè）殊的高性能5 軸 CNC 機床，它對力、功率和速度的（de）控製（zhì）能力更強。通過使用較低的力、功率和速度（dù），您可以加工薄壁零件，而不會施加太大的力使其變形。此外，您可以使用 ADOC(軸向切（qiē）削深度)或 RDOC(徑向切削深度)對稱地加工零件以分散力，從而減少殘餘應力（lì）。

2.處（chù）理複雜的幾何圖形

由於航空航天部件的獨特需求，這些部件通常具（jù）有複雜的幾何形狀（zhuàng），以減輕重量，同時最大限度地提高強度或促進部件表麵的氣流（liú）。

然而，有時這些複雜的幾何形狀是不必要的複雜。例如，當內部組件設計為具有複雜的有機表麵幾（jǐ）何（hé）形狀時。由於更高的複雜（zá）性意味著更多（duō）的加（jiā）工時間（jiān），並且可能需要更多的時間來尋（xún）找有能力的供應商，因此最好盡可能簡（jiǎn）化零件設計。

有時，緩解這種情況所需要的隻是促（cù）進設（shè）計（jì）師和工程師之間的可製造性設計 (DFM)。DFM 考慮到製造的局限（xiàn）性，並從加（jiā）工角度考慮設計的可行性、時間和成本。這可以（yǐ）幫助工程師思（sī）考複雜性在哪（nǎ）些（xiē）方麵是真正必要的，在哪些方麵不那麽重要。例如，內部組件對氣流並不重要，也不需要花哨的曲麵。

然而，對於航空航（háng）天應用，複雜的幾何形狀通常是不可避免的，在這些情況下，您可以使用 5 軸(或更多軸)機器。

3.零件尺寸：CNC 限製

最後的零件幾何挑戰是零（líng）件尺寸。飛機是由數百萬個零件組成的巨大組件。雖然其中許多零件都很小，但需要一些大型組件。典型的機床床身（shēn）隻有幾英尺長，這對於結構部件或（huò）其他大型零件（jiàn）來（lái）說是不（bú）夠（gòu）的。這意味著要找到具（jù）有這種能力的供應商可能具有（yǒu）挑戰（zhàn）性。

為了解決這個問題（tí），您需要找到一個新的供應商，該供（gòng）應商擁有可以處理零件尺寸（cùn）的大型 CNC 機床。否則（zé），您必須重新設計零件以適應。這可（kě）能涉及將較大的組件分解成較小的部分。然而，由於組裝多（duō）個較小部分需要額外的緊固件，這可能（néng）會增加整體重量。

另（lìng）一種（zhǒng）可能的解決方案是改變製造方法。鑄造可以一體生產更大的（de）零件，但可能仍需要 CNC 加工來進行後處理。鑄造需（xū）要更長的（de）時間，因為在製造任何零件之前都需要模具的設計和製造。這也使其成為（wéi）小批量（liàng）零件的 CNC 加工成本效益較低的選擇。

4.獲得適當的材（cái）料特性

很難實現航空航天應（yīng）用所需的高度特殊的（de）材料特性。金屬通常需要進行熱處理以達（dá）到所需的硬度和（hé）強度。熱處理是一種常見（jiàn）的工藝，但也有其自身（shēn）的挑戰。

機加工前的熱處理將使材料顯著更硬和更強（qiáng），因（yīn）此它可以保（bǎo）持更嚴格的公（gōng）差。但是，加工硬化材料更耗時，並且（qiě）更快地磨損刀具，因此加工成（chéng）本更高。如果您必（bì）須在加工前進行熱（rè）處理，那麽購（gòu）買由鈦（tài）等較硬材（cái）料（liào）製成的工具，而不（bú）是硬質合金或高速鋼，可以幫助改善這些問題。

當然，加工後的熱處理有其自身的問題，因為它可能會影響零件的尺寸。這否定（dìng）了 CNC 工藝的（de）精度，甚至可能使零（líng）件超出規格。您可以通過選擇最有效的（de）熱處理工藝來緩解這（zhè）種情況。

回火和時效涉及將（jiāng）金屬加熱（rè）到比其他工藝更低的（de）溫度，因此尺寸不會發生（shēng）太大變化。此外，在熱處理過程（chéng）結束時，您可以使用壓力（lì）淬火而不是油（yóu）淬（cuì）。油淬會（huì）使材料收（shōu）縮得更快，從而導致更大的尺寸變化。

獲得正確性（xìng）能的最簡單方（fāng）法是接受加工前熱處理增加的（de）成（chéng）本和交貨時間。同樣，質量是 CNC 加工的關鍵，而獲得這種質量需要犧牲速度和成本。在某些情況下（xià），另一種選擇（zé）是在硬化過程之後進行少量的最終加工。這使您可以對預硬化材料進行大部分加工（gōng），並完成（chéng）硬化材料以達到最終零件（jiàn）所需（xū）的公差。

5.采購材料

但是（shì），在處理或加（jiā）工您的材料之前，您必（bì）須找到合適的材料。高溫合金和專用塑料可（kě）能難以采（cǎi）購，而（ér）且運輸成本高昂且（qiě）耗時。這些材料（liào）包括鈦、鎳合金(如鎳銀（yín）合金)和 Ultem(一種用於航空航天應用的塑料)。由於（yú）航（háng）空航天組件的特殊需求，航空航天組件總是需要這（zhè）些材料（liào），因此這將是一個長期的挑戰。

為（wéi）了繞過這些限（xiàn）製，航空航天（tiān）公司可以利（lì）用數字製造生態係統 (DME)，例如 Fictiv，它可以訪（fǎng）問大量製造商。與（yǔ） DME 合作意味著製造合作夥伴之一更（gèng）有可（kě）能獲得（dé）必要的材料。此外，這將采購留給製造商，因此工程師可以專注於設計。

6.采購製造商

說到采購，找到合適的製造合作夥伴至關重（chóng）要。由於航空航天行業的特殊要求，大多數航空航天公司都要求（qiú）其製造商和供應商具有AS9100認證。AS9100 以 ISO 9001 為基礎，該標準規範了（le）行業中最重要的質量管理體係並（bìng）控製質量和安（ān）全。

但是，並非所有製（zhì）造（zào）商（shāng）都（dōu）擁有此認證，而且很難（nán）找到擁有此認證的製造商。認證（zhèng）費用昂貴且需要時間（jiān），而且航空部件的數（shù）量並不總是值得的(稍後會（huì）詳細介紹)。但是數字製造公司可以解決這個問題。他們（men）更有可能（néng）在其廣泛的合（hé）作夥伴中獲得具有必要認證的供（gòng）應商。

7.高混合、小批量生產

如上（shàng）所述（shù），飛機的生產數量與（yǔ）其他實物產品(如消費品或電子產品)不同。這意味著許多航空航天部件沒有大規模生產。飛（fēi）機需要很多不同的零件，但它們可能隻需要幾（jǐ）百個或更少的給定零件（jiàn）。這被稱為高混合、低（dī）數量的生產。

不幸的是，高混合、低數量（liàng）的生產與（yǔ）製造商喜歡做的相反。審查和設置生產每個零（líng）件的製造流程需要時間和精（jīng）力，因此這些項目的效率和成本效益要低得多。一些製造合作夥伴根本不會承擔需要他們（men）花時間開發複雜幾何形狀（zhuàng）的工藝來製造幾個零件的項目。

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